Устойчивость земляного полотна на слабых основаниях

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 15Следующая ⇒

К слабым относят грунты, которые теряют устойчивость под действием собственного веса в откосах выемок типового поперечного профиля и под давлением насыпей в их основаниях, а также претерпевают значительные и медленно протекающие осадки.

Насыпи, возведенные на слабых основаниях, могут значительно проседать из-за уплотнения грунта основания и его выжимания в стороны из-под насыпи. Деформации чаще всего происходят в период строительства или вскоре после возведения насыпи.

Зависимость между давлением на грунт и его просадкой в общем виде выражается кривой, представленной на следующем рисунке (а).

Рисунок 1.

На этой кривой могут быть выделены участки, характеризующие разные фазы процесса деформации. В пределах участка ОА зависимость между нагрузкой и деформацией близка к прямолинейной, здесь происходит преимущественно сжатие подстилающего грунта (1-ая фаза, 1б). При дальнейшем возрастании нагрузки касательные напряжения начинают превышать его сопротивление сдвигу. В этих местах возникают пластические деформации (деформации сдвига) (2-ая фаза, 2б). По мере возрастания давления число таких мест увеличивается, осадка насыпи растет и начинается выжимание из-под нее грунта, сопровождающееся образованием бугров по бокам насыпи и ее просадкой (3-я фаза, 3б).

При проектировании насыпей на слабых основаниях в зависимости от назначения насыпей предусматривают работу оснований в следующих фазах:

· в первой фазе деформаций – насыпи на дорогах с капитальными асфальтобетонными и цементобетонными покрытиями рассчитывают на полное отсутствие сдвигов в основании;

· в начальном периоде второй фазы – деформации насыпей на дорогах с покрытиями облегченных типов рассчитывают на ограничение распространения сдвигов заданным значением;

· в конечном периоде второй фазы и начальном третьей – дороги местного значения с покрытиями переходных типов рассчитывают на условия, близкие к предельному равновесию.

Расчет на полное отсутствие сдвигов в основании требует, чтобы наибольшее касательное напряжение под нагрузкой от насыпи не превышало сопротивления грунта сдвигу. При этом принимают, что сопротивление грунта на глубине z от подошвы насыпи

τ _сдв = с_ω + γ ztgφ _ω,

где γ – плотность грунта основания с учетом взвешивающего действия грунтовой воды;

с_ω – сцепление;

φ _ω – угол внутреннего трения.

Значения с_ω назначают в зависимости от влажности грунта основания, а φ _ω – в зависимости от скорости приложения нагрузки.

В запас прочности иногда пренебрегают влиянием угла внутреннего трения, который у слабых грунтов относительно невелик, т.е. при проектировании стремятся обеспечить соотношение τ _max< с_ω.

Максимальное касательное напряжение под насыпью

Для точек, расположенных по оси насыпи, где максимальные касательные напряжения имеют наибольшие значения, зависимость упрощается:

Значения входящих в формулы членов представлены на следующем рисунке. Углы α должны быть выражены в радианах.

Рисунок 2.

При встречающихся на практике высотах насыпей и колебаниях крутизны их откосов величины максимальных касательных напряжений изменяются в пределах от τ _max= 0, 27р до τ _max = 0, 33р (где р – давление насыпи на грунт). Поэтому можно считать, что насыпь устойчива против образования сдвигов в основании при соблюдении условия р ≤ 3с_ω.

Случай допущения частичного развития в грунте пластических деформаций наиболее сложен. Еще отсутствует общепризнанная точка зрения на допустимую глубину распространения зон пластических деформаций в толщу слабого грунта, а точные методы расчета напряжений при упругопластических деформациях грунта под насыпями еще не разработаны.

Если исходить из принятого в фундаментостроении решения о допустимости распространения пластической зоны на глубину, равную четверти ширины насыпи понизу и заменить трапецеидальную эпюру нагрузки равновеликой по площади прямоугольной с основанием В, то допустимое давление на грунт с плотностью δ

Если грунты оснований деформируются в условиях третьей фазы, выжимание из-под насыпи однородного грунта, залегающего на значительную глубину, происходит с образованием в нем криволинейных поверхностей скольжения. Просадка насыпи может происходить как с двусторонним, так и с односторонним выпиранием подстилающего грунта.

Рисунок 3.

Схема осадки насыпи с выжиманием грунтов основания и образованием валов взбугривания. 1 – вал выпирания; 2 – первоначальная поверхность грунта.

При возведении насыпи на слабых основаниях, мощность которых велика по сравнению с шириной ее понизу, давление от насыпи, вызывающее боковое выпирание однородного грунта, может быть определено по формулам механики грунтов, рассматривающим устойчивость грунтов в основаниях из условия предельного равновесия.

Предельное давление от насыпи, превышение которого вызывает выжимание из-под нее грунта, по формуле Прандля с поправкой Тейлора на влияние собственного веса грунта определяется в соответствии со следующей схемой.

Рисунок 4.

Теоретическая схема образования призм выпирания по Л. Прандлю. 1 – призма выпирания; 2 – зоны пластических сдвигов; 3 – уплотненный клин вдавливания.

где δ – плотность грунта;

Δ – глубина погружения насыпи в грунт;

с_ω – сцепление грунта;

φ – угол внутреннего трения.

Для повышения устойчивости насыпей против выпирания слабых грунтов в основании предусматривают ряд мероприятий:

· уменьшение собственного веса насыпи путем возведения ее из легких материалов (керамзита, котельного шлака и т.д.);

· увеличение коэффициента заложения откосов до 1: 5 – 1: 10, что снижает касательные напряжения в грунте основания;

· отсыпка радом с насыпью вдоль ее откосов берм, вес которых противодействует выжиманию боковых призм подстилающего грунта;

· прокладка дороги на эстакаде и передача веса насыпи на плотный подстилающий грунт через свайное основание;

· отсыпка насыпи на жесткий настил, равномерно распределяющий давление насыпи на большую площадь и препятствующий неравномерному погружению насыпи в грунт с максимумом в середине;

· уменьшение толщины слабого грунта путем удаления его верхней части;

· предварительное (до отсыпки) осушение основания в случае возможности отвода воды в сторону или с применением иглофильтров. Это повышает сцепление и внутреннее трение грунта;

· постепенное замедленное возведение насыпи с учетом нарастания прочности слабого грунта по мере его уплотнения с выжиманием воды весом насыпи. Эффективным средством ускорения осадки является устройство вертикальных дрен.

Целесообразность применения того или иного способа должна быть основана экономическим сравнением с наиболее распространенным и испытанным решением - удалением слабого грунта и отсыпкой насыпи на расположенный ниже плотный грунт.

Определение осадки насыпей

Расчет осадки насыпей от сжатия подстилающего грунта сводится к суммированию деформаций отдельных слоев от вертикальных напряжений.

Вертикальное нормальное напряжение от веса дорожной насыпи в подстилающем грунте (п. 5.5, рисунок 2):

Осадку определяют суммированием деформаций отдельных слоев грунта, в пределах которых напряженное состояние и характеристики деформации грунта (модуль деформации, параметры компрессионной зависимости) могут быть приняты постоянными. При этом фактическая эпюра распределения давления заменяется ступенчатой (см. рисунок ниже). Толщина выделяемых слоев не должна превышать 0, 4 ширины насыпи понизу.

Сжимаемость сравнительно плотных грунтов характеризуют модулем деформации, значение которого определяют испытанием пробными нагрузками. В этом случае сжатие выделенного слоя толщиной h

а общая осадка дорожной насыпи составляет

Расчетная схема вычисления осадки от сжатия грунта под насыпью. 1 – геологический разрез; 2 – кривая напряжений от собственного веса грунта; 3 – кривая напряжений от веса насыпи; 4 – замена кривой напряжений ступенчатой эпюрой; 5 – эпюра относительного сжатия грунта; Н – первоначальная толщина сжимаемой толщи; Н₁ – толщина сжимаемой толщи, уточненная с учетом уплотнения расположенных ниже слоев грунта.

Если относительное сжатие нижнего слоя превышает 0, 1% (1мм на 1 м толщины грунта), расчет продолжают, учитывая деформацию нижерасположенных слоев грунта.

Сжатие слоя грунта толщиной Н при возрастании нагрузки с р₁ до р₂ составляет

где А – коэффициент, характеризующий сжимаемость грунта и не зависящий от нагруз- ки, составляющий: 25 ÷ 75 – для песков и супесей и 10 ÷ 15 – для суглинков;

ε ₁ – коэффициент пористости при давлении р₁.

Если основание состоит из нескольких слоев, различающихся по деформируемости, или если мощность основания такова, что необходимо учитывать затухание напряжений по глубине, общая осадка вычисляется суммированием сжатий слоев:

Для насыпей, отсыпанных на торфяном основании, необходимо учитывать возможность упругих колебаний насыпей при проезде автомобилей. Эти колебания могут вызвать образование трещин в покрытиях и их быстрое разрушение. Считается, что упругая деформация оставленного под насыпью слоя торфа не должна превышать 0, 5 см.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒